JPH06250705A - 多段ファジィ推論による制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 主要な状態量が直接計測できない制御対象に
対して、前記直接計測できない状態量と因果関係のある
可計測量をその因果関係を反映するファジィ推論の入力
として、前記直接計測できない状態量を推定し、この推
定結果に対応して、制御用のファジィメンバーシップ関
数とファジィルールを選択し、ファジィ推論を行うこと
により操作量を決定するようにした多段ファジィ推論に
よる制御方法。および、一組のメンバーシップ関数と一
組のファジィルールを一つのルールファイルとして複数
の任意のルールファイルデータをあらかじめ設定してお
く記憶手段と、推論の際、前記記憶手段から該当のルー
ルーファイルを呼び出し、演算用ＲＡＭにブロック転送
する手段とを備えた多段ファジィ推論制御装置。 【効果】 多入力、主要な状態変量不可計測のシステム
に対して状態推定と制御との分離できる多段ファジィ推
論による制御手法を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水道汚水揚水の自動
化システム等に適用する多段ファジィ推論による制御方
法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】下水道汚水揚水設備においては、下水道
からの汚水は沈砂池に搬入されて土砂を沈澱させ、つい
でポンプ井に貯溜され、汚水ポンプで吸引されて汚水処
理場に導かれる。通常、汚水ポンプは複数台設けられて
いて、汚水の流入量が多い場合は多い台数の汚水ポンプ
を運転し、少ない場合は少ない台数の汚水ポンプを運転
する。一方、大雨等で汚水流入量が著しく多くなった場
合は、汚水処理場の処理能力を超えるため、補助ポンプ
を運転してポンプ井の汚水を河川へ放流するようにして
いる。

【０００３】このように、ポンプの運転台数の制御は沈
砂池やポンプ井への汚水の流入量により規定されるもの
であるが、一般的に、沈砂池やポンプ井への汚水の流入
路に流量計を設置することは困難であり、設置したとし
ても、流量計を通過しない溢流水等の流入量までは測定
できない。したがって流入量を直接測定することは現実
的には不可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、制御対
象の主要状態（前記例では流入量）が計測できず、操作
量（前記例ではポンプの運転台数）が不連続に変化する
システムの自動化は困難であり、シーケンス的な制御が
主流となる。一方、あいまいな情報を制御に取り込む手
法としてファジィ推論が採用されているが、ファジィ推
論は多段の推論には不向きであるという一般的な認識が
ある。

【０００５】本発明が解決すべき課題は、状態推定と制
御とを分離できる多段ファジィ制御による制御方法およ
び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の多段ファジィ推論による制御方法は、主要
な状態量が直接計測できない制御対象に対して、前記直
接計測できない状態量と因果関係のある可計測量をその
因果関係を反映するファジィ推論の入力として、前記直
接計測できない状態量を推定し、この推定結果に対応し
て、制御用のファジィメンバーシップ関数とファジィル
ールを選択し、ファジィ推論を行うことにより操作量を
決定するようにした。

【０００７】また、本発明の多段ファジィ推論制御装置
は、一組のメンバーシップ関数と一組のファジィルール
を一つのルールファイルとして複数の任意のルールファ
イルデータをあらかじめ設定しておく記憶手段と、推論
の際、前記記憶手段から該当のルールファイルを呼び出
し、演算用ＲＡＭにブロック転送する手段とを備えた構
成とした。

【０００８】

【作用】本発明の制御方法では、状態推定と制御とは分
離して処理される。また、既存のファジィチップでは、
一つのＳＲＡＭに一組の共通のメンバーシップ関数と三
組までのファジィルールしか設定できないが、本発明で
は、複数の任意のルールファイルデータをシステムＲＯ
Ｍ領域に設定しておき、推論の際、該当のルールファイ
ルを呼び出し、演算用ＲＡＭにブロック転送することに
より、一台のファジィ演算装置で任意のメンバーシップ
関数とファジィルールを扱うことが可能になる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例を参照しながら具体的
に説明する。図１に本発明の多段ファジィ推論による制
御方法の概要を表している。図１の（Ａ）は本発明の多
段ファジィ推論のフローチャート、（Ｂ）はブロック図
である。

【００１０】 制御対象の状態量が直接には計測でき
ず、その状態量がシステム全体の制御に重要な影響を及
ぼす場合に、その状態量と因果関係のある、利用可能な
可計測物理量を利用して、ファジィ推論で不可計測量を
推定する。利用可能の物理量をファジィ推論の入力とし
て、メンバーシップ関数で入力空間を割り当てて、その
因果関係をファジィルールで知識的に表現する。

【００１１】状態推定の結果により、複数設定した制御
用メンバーシップ関数とファジィルールの中から推定結
果に合うものを選択し、それをもって、システムの制御
−操作量の決定をファジィ推論で行う。これは多入力か
つ不可計測変量のあるシステムに対して状態推定と制御
とは分離できる多段ファジィ制御手法である。

【００１２】 異なるルールファイルとして複数にセ
ットし、あらかじめシステムＲＯＭ領域に設定してお
く。各制御サイクルにおいて、状態推定と制御という二
つのフェーズがあり、状態推定の際、推定用のルールフ
ァイルをＲＯＭからファジィ推論演算用ＲＡＭに転送
し、ファジィ推論を行い、制御の際、推定結果により、
該当のルールファイルを推定と同じようにＲＯＭからＲ
ＡＭに転送し、ファジィ推論し、操作量の決定を行う。

【００１３】図２は本発明の多段ファジィ推論による制
御方法を汚水ポンプ場のポンプ台数制御に適用したシス
テム構造図を示し、図３，図４はそれぞれ状態推定用と
ポンプ台数制御用メンバーシップ関数を表すものであ
る。

【００１４】本ポンプ場の特性としては、汚水流入状態
は直接に計測できない。汚水流入量が吐水量と釣り合わ
ない場合にポンプ井水位変化はその不釣り合い度合いを
敏感に反映する、吐出量は不連続に変化する、などが挙
げられる。

【００１５】以上の特性に基づいて、ファジィ制御ルー
ルファイルを作成し、ポンプ運転台数（吐出量）と水位
情報をファジィ推論の入力変数として、流入状態を推定
する。流入汚水のほとんどは吐き出されているから、現
在の吐出量では、水位は安定、上昇、下降により流入汚
水の状態を概ね推定できるから、この関係をファジィル
ール化して、流入状態を３つの流入モードに分類する。 平常流入モード、 大量流入モード、 異常流
入モード

【００１６】流入状態の推定結果に対応して、各流入モ
ードの「目標水位範囲」を設定する。従来ではポンプ台
数の制御はある設定水位に上昇したら一台起動か、ある
設定水位に下降したら一台停止するように各ポンプ毎に
設定する。その設定水位は大量流入の状況に備えるため
に設定されたものであるから、それを全ての流入状況に
適用するのは無駄が生じる。

【００１７】「目標水位範囲」はある流入状態に対し
て、ポンプの吐出能力を最大限に発揮させるように設定
し、また平常流入モードではできるかぎり、ポンプの運
転／停止を抑制し、一方、大量流入モードでは、速く汚
水を吐き出すように考慮している。このような人間の知
識と操作ノウハウをファジィメンバーシップ関数とルー
ルに体現化する。特にポンプ吐出能力は格差が大きいか
ら、ポンプ井の水位変化のメンバーシップ関数に特殊の
形状でそれを反映している。図４の○で囲んだＡ，Ｂの
部分がそれである。

【００１８】各制御サイクルは状態推定とポンプ台数制
御との２つのフェーズからなり、これを図１に示してい
る。

【００１９】上述の機能を働かせるために、ファジィコ
ントローラではルールファイルデータの格納を次のよう
に行う。 状 態 推 定・・・一組のＭＦ＋一組のルール→第０
群ルールファイル 平常流入モード・・・一組のＭＦ＋一組のルール→第１
群ルールファイル 大量流入モード・・・一組のＭＦ＋一組のルール→第２
群ルールファイル 異常流入モード・・・一組のＭＦ＋一組のルール→第３
群ルールファイル 注）ＭＦ：メンバーシップ関数

【００２０】これらの４群のルールファイルデータを、
図５に示すシステムＲＯＭ１０のファジィイニシャルエ
リア１０−１〜１０−ｎに格納し、推論する際、該当の
ルールファイルをシステムＲＯＭ１０からファジィ演算
用ＳＲＡＭ２０のワークエリアに転送し、ＣＰＵ３０の
ファジィ処理開始命令により、ファジィ演算プロセッサ
４０でファジィ推論を行う。

【００２１】沈砂池水位と水位変化、ポンプ井水位と水
位変化をファジィ推論の入力として、ルールを作成する
には、非常に複雑な作業を要する。本案の多段ファジィ
推論により二つのステップを踏んで、最終的に表１に示
すルール例のように二つの入力でルールを作成すること
ができる。

【００２２】

【表１】

【００２３】本発明は、操作量不連続システムに適用し
た例を示したが、この制御法および設計手法は、操作量
連続変化のシステム、たとえばプロセスの制御、メカト
ロニクスの制御にも充分適用することができる。

【００２４】

【発明の効果】上述のように、多入力、主要な状態変量
不可計測のシステムに対して状態推定と制御との分離で
きる多段ファジィ推論による制御手法を提供することが
できる。このようなシステムの高度自動化を実現させる
可能性を、ポンプ場の制御を通じて示している。

【００２５】ファジィ制御のコントローラと設計につい
て、新しい手法を提案して、その有効性を確認した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ａは本発明の多段ファジィ推論による制御方
法の概要を示すフローチャート、Ｂはそのブロック図で
ある。

【図２】 本発明の制御方法を汚水ポンプ場のポンプ台
数制御に適用したシステムの構成を示すブロック図であ
る。

【図３】 状態推定用メンバーシップ関数の例を示す説
明図である。

【図４】 ポンプ台数制御用メンバーシップ関数の例を
示す説明図である。

【図５】 ルールファイルの格納状態を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０ システムＲＯＭ、１０−１〜１０−ｎ ルールフ
ァイル、２０ ファジィ演算用ＳＲＡＭ、３０ ＣＰ
Ｕ、４０ ファジィ演算プロセッサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主要な状態量が直接計測できない制御対
   象に対して、前記直接計測できない状態量と因果関係の
   ある可計測量をその因果関係を反映するファジィ推論の
   入力として、前記直接計測できない状態量を推定し、こ
   の推定結果に対応して、制御用のファジィメンバーシッ
   プ関数とファジィルールを選択し、ファジィ推論を行う
   ことにより操作量を決定することを特徴とする多段ファ
   ジィ推論による制御方法。
2. 【請求項２】 一組のメンバーシップ関数と一組のファ
   ジィルールを一つのルールファイルとして複数の任意の
   ルールファイルデータをあらかじめ設定しておく記憶手
   段と、推論の際、前記記憶手段から該当のルールーファ
   イルを呼び出し、演算用ＲＡＭにブロック転送する手段
   とを備えたことを特徴とする多段ファジィ推論制御装
   置。